Пеннинговские лазеры высокого давления на 3p-3s переходах неона с электроннопучковой накачкой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Р Г 5 ОД __россшскм-акадешя'мук

• ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени П.Н. ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи УДК 631.373.826.038.823

ЗАЯРНЫЙ Дмитрий Альбертович

ПЕННИНГОВСЖИЕ ЛАЗЕРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА Зр-Зв ПЕРЕХОДАХ НЕОНА С ЭЛЕКТРОННОПУЧКОВОИ НАКАЧКОЙ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических' наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Физическом институте им.П.Н.Лебедева Российской Академии наук.

Научные руководители: кандидат физико-математических наук

И.В.Холин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор В.Н.Очкин, ФЙАН (г.Москва), кандидат физико-математических наук А.В.Карелин, ИОФАН (г.Москва).

Ведущая организация - МИФИ (г.Москва)

совета K002.39.0I Физического института им.П.Н.Лебедева РАН по адресу: 117924, Москва, ГСП-321, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН.

в У/ часов на заседании Специализированного Ученого

Защита состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук

В.А.Чуенков.

--------------- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Разработка и исследование лазеров высокого давления на атомных переходах инертных газон является в настоящее время одним из интенсивно развивающихся направлений квантовой электроники. Помимо общих преимуществ, характерных для всех тазовых лазеров высокого давления, таких как дешевизна и высокая однородность активных сред, возможность возбуждения больших лазерных объемов и т.д., лазеры на инертных газах не оказывают вредного экологического воздействия на окружающую среду и обладают при этом удобным набором длин волн в видимой и ближней ИК областях спектра {}. - 0,585 - 3,65 мкм), весьма перспективным для практического использования в технологии, медицине, связи, лазерном мониторинге, локации и в других приложениях.

Особенно большие успехи достигнуты к настоящему времени в исследовании лазеров ближней Ж области спектра на п<1-(п~1)р переходах А1\ кг и, особенно, Хе. За более чем двадцатилетнюю историю та-них исследований усилиями значительного количества научных груш в СИ1А, Европе и Японии при достойном участии отечественных ученых, в том числе и членов экспериментальной группы, где выполнена настоящая диссертация, лазеры этого типа были выведены на качественно новый уровень, что поставило их в один ряд с наиболее мощными из известных лазерных систем.

[ В то же время заметно меньшее внимание уделялось пеннинговским яазерам на Зр-Зв переходах атома Не, являющихся предметом исследования в настоящей работе. В таких лазерах накачка верхних Зр уров-10Й лазерных, переходов осуществляется в селективных реакциях диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов с электронами, а расселе-

нив шшш Зв уровней - за счет использования высокоэффективных р акций пеннинг- и ассоциативной ионизации. Однако, хотя этот кваз непрерывный по своей природе механизм создания инверсии был предл жен теоретически уже в 1970 году (практически одновременно с запу ком лазера высокого давления на 5й-6р переходах Хе1), впервые ква непрерывная генерация на одном из Зр-Зв переходах с длиной вол \ = 585,3 нм была получена только в 1984 году.

Таким образом к моменту постановки данной работы в 1984 год объем экспериментальных результатов' по лазерам на Ие был сравн тельно невелик. Так генерация была получена лишь на одном из Зр-; переходов, в то время как структура лазерных уровней позволяла \н. деяться на получение квазинепрерывной генерации на еще нескольк переходах. Не были определены энергетические возможности лазера схемы. Не исследовались динамические характеристики лазера - таю как временной ход усиления и поглощения излучения на лазерных пер| ходах. Отметим также, что несмотря на почти семидесятилетнюю ист< рию исследования механизма пеннинговской ионизации, константы ск< ростей некоторых пеннинговских реакций оказались исследовании явно недостаточно и могли явиться предметом отдельного подробно] исследования в диссертации.

Цель работы

Основная цель настоящей работы заключается в создании мощн газовых лазеров высокого давления на Зр-Зз переходах Ые1 с пенни говской очисткой нижних лазерных уровней, исследовании динамики работы, оптимизации выходных характеристик и измерении скороск параметров основных кинетических процессов, ответственных за расс лэние нижних уровней лазерных переходов..

--------------------------------------- 5 - .

Научная новизна работы

В рамках поставленной задачи в данной работе впервые: -получена генерация на неисследованных ранее (в том числе и в эзерных средах низкого давления) Зр-Зз переходах атома Ие с длина-и волн Я. = 703,2 и 724,5 нм;

-исследованы генерационные характеристики лазеров с длинами элн А. = 585,2, 703,2 и 724,5 нм в области высоких (до 10 атм) дав-эний активных сред при электроннопучковой накачке с плотностью то-33= 1,7.А/см2;

-методом прямого зондирования лазерным сигналом исследована ¡гаамика коэффициентов усиления слабого сигнала этих лазеров;

-методом абсорбционного зондирования проведено прямое измере-ле величины "горячего" поглощения лазерными средами излучения в зектральных интервалах, соответствующих лазерным линиям с А. -35,2, 703,2 и 724,5 нм;

-методом абсорбционного зондирования измерены константы скоро-гей дезактивации 1р состояния атома N6 при пеннинговской иониза-зи Аг, Кг и Хе, уточнены константы скоростей столкновительной деактивации в тех же реакциях остальных Зв состояний Ме и константы хоростей эксимеризации и виутримультшлетной релаксации За состоя-;тй ш в чистом Ие.

I Практическая ценность работы

-созданы мощные лазерные системы видимой области спектра с инами волн \ - 703,2 и 724,5 нм;

-достигнуты рекордные для исследуемого класса лазеров энерге-ческие параметры выходного излучения на уровне до 1,5 Дж;

-определены значения и временной ход коэффициентов усилвния

слабого сигнала и коэффициентов "горячего" поглощения для оптимизированных активных сред лазеров с А. = 585,2, 703,2 и 724,5 нм;

-уточнена кинетика тушения нижних лазерных уровней в реакцию пеннинговской ионизации, эксимеризации и внутримультишютной релаксации.

Защищаемые положения

-при использовании активных сред с содержанием буферного гззг менее 70 % возможно получение мощной лазерной генерации на переходах Nel с длинами волн X - 703,2 и 724,5 нм;

-в оптимизированных рабочих смесях даннинговских лазеров на Nel эффективность вывода излучения из резонатора может превышать значение т] = 80 % для лазеров с длинами волн к = 585,2 и 724,5 нм и значение т) = 50 % для лазера с длиной волны X ~ 703,2 нм;

-при использовании в качестве расселителя нижних лазерных уровней таких лазеров тяжелых инертных газов процесс расселения уровня КеС1?^ перехода с длиной волны К = 585,2 нм практически полностью определяется реакциями пеннинговской и ассоциативной ионизации, суммарная константа скорости которых (2 - З^Ю"9 см3/с более чем на порядок превышает константы скоростей аналогичных реакций для других 3s состояний атома Ne;

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на Всесоюзном семинаре "Процессы ионизации с участием возбувденных атомов" (Ленинград, 1988), 21-й Европейской конференции го взаимодействию лазерного излучения с веществом (Варшава, 1991), на Международной конференции "Оптика лазеров '93" (С.-Петербург, 1993) и опубликованы в работах [28,37-45].

__________________

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и можения. Общий объем диссертации - 177 страниц машинописного кета, включая 44 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит Э наименований.

Содержание работы

Во Введении обсуждаются актуальность рассматриваемых вопросов, . новизна, изложена цель работы, дана оценка научной и хграктичес->й ценности полученных результатов, приведены основные положения, сносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В §5 1.1-1.3 дан обзор )6от по созданию лазеров на нижних р-з переходах Ме1 при различных гособах накачки, выполненных как до проведения настоящей работы, ж и позднее, в параллельных экспериментах других авторов. Рас-лотрены различные типы электроразрядных лазеров, рекомбинационные ззеры с возбуждением электронным пучком и продуктами ядерных реак-гй.

В § 1.4 рассмотрены основные плазмохимические реакции в активах средах пеннинговскнх лазеров высокого давления с электроннолучевой накачкой и проведено обсуждение механизмов формирования ин-зрсии на исследуемых Зр-Зз переходах Ке1 в различных лазерных смете неона с другими инертными газами. Согласно развиваемым в боль-шетве экспериментальных и теоретических работ представлениям в гаичных лазерных смесях, характеризующихся низкими концентрациями шнинговских добавок, основная доля поглощенной в активной среде гергии электронного пучка расходуется на ионизацию атомов рабочего Ые и буферного - Не газов. В процессе конверсии образовавшихся

ионов в активной среде происходит наработка молекулярных ионов Ne диссоциативная рекомбинация которых с электронами приводит к зас лению тех или иных Зр состояний атома Ne. После акта генерации ра селение нижних лазерных уровней происходит за счет быстрых реакц пеннинговской ионизации, сопровоздащихся дополнительной наработк в активной среде вторичных электронов. В результате конверсии диссоциативной рекомбинации продуктов пеннинговской ионизации в ai тивной среде, образуются возбужденные атомы пеннинговской добавю рэ лансирующие в основное состояние в реакциях с образованием и рг диационным высвечиванием различных эксимерных состояний.

Вторая глава диссертации посвящена краткому описанию использ$ емой при проведении экспериментов двухкаскадной электроионизацион ной лазерной установки "Тандем". Установка состоит из двух идентич ных электроионизационных лазеров с активным объемом 10 л (10x10 100 см) каждый, различающихся типом используемых в них электронны: пушек. В § 2.1 рассмотрена конструкция лазеров установки, схема ж питания, приведены токовые и энергетические характеристики электронных пушек, дано описание диагностического комплекса, который включал в себя спектрограф, калориметры, фэтоприемники, осциллографы. В экспериментах применялись неселвктивные плоскопараллвльные резонаторы с пропусканием 70 - 30 % , а также телескопические резонаторы с увеличением и - 2.

Лазер с холодным катодом электронной пушки использовался щ» проведении всех основных лазерных экспериментов. Питание электронной душки осуществлялось от генератора Аркадьева-Маркса. Длительность импульса электронного тока за фольгой составляла 4,5 мкс пс основанию при напряжении на катоде пушки до 320 кВ и пиковой плотности тока d = 1,7 А/см2. Полная энергия ЗП за фольгой 1,5 кДК, сечение пучка - 100x10 см. Лазер с нагревным катодом электронно!

тушки применялся в качестве генератора при проведении экспериментов го прямому измерению коэффициентов усиления слабого сигнала на лазерных переходах по схеме генератор-усилитель. Длительность прямо-тольного импульса электронного тока составляла 12 мкс при напряже-ши на катоде пушки 250 кВ и плотности хока за фольгой до 0,6 А/см2 ф;: полной рязргии ЭИ 680 Да;. В § 2.2 подробно описана разработан-1ая и реализованная в рамках настоящей работы оригинальная система [агштной фокусировки электронного пучка, позволяющая при импульс-юм разряде тока в плоской магнитной катушка с внутренними габари-■ами 1420 х 530 мм получать магнитное поле с индукцией в й I кГс в ;ентре активного объема лазера.

Третья глава диссертации посвящена оптимизации энергетических зраметров лазеров на Зр-Зз переходах Ке1 с длинами волн X - 585, 03 и 725 нм. В первом разделе (3.1.1) первого параграфа изложены езультатн предварительных исследований лазера на Зр-Зз переходах гЛ, которые привели к открытию двух новых интенсивных линий гене-ации в красной области спектра на переходе Зр[7/2] - Зб^ЗЛ"]^ с = 703 нм и переходе Зр[1/2] 1 - За[3/2 3® с Я 725 нм. В разделе .1.2 проведена оптимизация энергетических параметров двухкомпонен-ных пеннинговских лазерных смесей неона с тяжелыми инертными газз-н - аргоном, криптоном и ксеноном в широком диапазоне давлений, хлоть до 10 атм. Использовалась кювета высокого давления с умень-знным активны?,1 объемом до 2,5 л. Для всех смесей генерация разви-злась при достижении некоторого порогового давления, зависящего от устава смеси и лежащего в диапазоне р =: 1,5 -ь 3,5 атм. При повыше-т давления выше этого порогового значения наблюдался быстрый рост гергии генерации, сменяющийся ее столь же быстрым падением при шьнейшем повышении давления. Как пороги возникновения генерации, к и максимумы энергетических зависимостей смещались при уменьше-

-КЭШИ относительного содержания рабочего газа в область более низких давлений. Наибольшая энергия генерации достигалась в смеси Ne:Kr ~ 40:1 при давлении смеси около 6 атм. Для всех этих зависимостей основная доля лазерного излучения приходилась на линию с X = 725 нм.

Замена в лазерной смеси криптона на аргон или ксенон приводила к значительному уменьшению абсолютных значений выходной энергии. При этом в обоих случаях основная доля лазерной энергии высвечивалась на переходе с длиной волны X = 703 нм, а максимум генерации достигался в смесях с соотношением компонент Ne:R = 20:1 при давлении р = 2 - 2,5 атм.

При работе в красной области спектра введение небольших добавок гелия в оптимизированные двухкомпонентные смеси приводило к заметному увеличению энергии генерации. В разделе 3.1.3 проведена оптимизация трехкомпонентных смесей с гелием, в результате которой был достигнут максимальный для данного класса лазеров энергосъем на уровне C^gg = 1,5 Дж (0,15 Дж/л) в смеси He:Ne:Kr = 7:25:1 при давлении р = 4 атм на длине волны X = 725 нм. Физический КЕД лазере составил при этом величину ~ 0,2 %. Рост энергетических характеристик лазера при введении в активную среду буферного газа естественным образом объясняется влиянием добавок гелия на температуру вторичных электронов. Понижение те за счет упругих соударений электронов с легкими атомами гелия соответственно приводит к уменьшении констант скоростей неупругих и сверхупругих столкновений этих электронов с возбужденными атомами рабочего газа и уменьшению паразитного эффекта перемешивания лазерных уровней электронным ударом.

Как уже отмечалось, первые пеннинговские лазеры были запущень на переходе с длиной волны X = 585 нм. Характерной особенность? этих лазеров с электроннопучковой накачкой является использование

______________— •• тт -

збочих смесей с большим содержанием Не. Максимальный энергосъем на йши генерации X = 585 нм (переход Зр'[1/2]0 - Зз' [1/2]°} дости-элся в смеси йегИегКг = 40:2:1 при давлении р - 2,5 атм и состав-ял ~ НО мДж при КПД ~ 0,1 %. Отметим, что из-за малой плот-ости активной среды утилизация энергии электронного пучка оказывается невысокой, вследствие чего энергетические характеристики лазе-эв с А. = 585 нм всегда значительно уступали аналогичным характе-истикам лазеров с X = 725 нм. Из-за меньшей мощности накачки и, оответственно, плотности вторичных электронов, а также меньшей емгоратуры этих электронов,' лазер с X = 585 нм менее чувствителен эффекту перемешивания лазерных уровней вторичными электронами, и о всех практически важных случаях форма импульса генерации пример-

0 соответствовала форме импульса электронного тока.

Одним из важных параметров лазера является спектральная ширина входного излучения. В настоящей работе в 5 3.2 для определения даго параметра применялась стандартная методика с использованием ¡ысокодобротного эталона Фабри-Перо ИТ 51-30. Для оптимизированных лазерных смесей с длинами волн генерации X - 725 и 585 нм были юлучены зависимости спектральной ширины линий генерации от давле-шя. Для лазерной линии с X = 725 нм увеличение давления смеси в щапазоне р = I * 4 атм сопровождалось монотонным ростом спектраль-гой ширины линии с 7 = 1,2 до 4,4 ГГц. Для линии с X = 585 нм вели-жна 7 изменялась в том же диапазоне давлений в пределах 7 = 2,0 -,5 ГГц. Причем максимальное значение 7 было зарегистрировано на ютимальном по энергосъему давлении р = 2,5 атм. Измеренные значе-ия спектральных ширин лазерных линий значительно уступают расчетам значениям для уширений соответствующих лазерных переходов, оставляющим 7 = (0,8 +3,6• р) и (1,03 + 5,0-р) Ггц для переходов с

1 = 725 и 585 нм соответственно.

- 12 -

При использовании классической усилительной схемы впервые I лучены временные профили коэффициентов усилений слабого сигнала исследуемых лазерных переходах (5 3.3). В эксперименте исслвдов лись различные двух и трехкомпонентные смеси, оптимизированные х генерации с X = 725 и 585 нм. Давление смесей варьировалось в да пазоне р - 0,5 * 4,0 атм. Пиковые коэффициенты усиления при опт мальных давлениях достигали уровня а = 1,7-Ю"2 и 1,0-Ю-2 см"1 длинах волн X = 725 и 585 нм соответственно. Отмечалось значител ное влияние процессов перемешивания лазерных уровней вторичны электронами в активных средах исследуемых лазеров, что находи, свое отражение в уменьшении усиления на переходе с X = 725 нм максимуме импульса накачки при р 5 2,5 атм. Сравнение коэффициенте усиления на лазерных линиях с X = 725 и 585 нм в безгелиевых смесг и смесях с высоким содержанием гелия позволило сделать вывод о ш рераспределении потоков возбуждения Зр уровней в пользу более высс колежащих при увеличении относительной концентрации гелия в лазет; ной смеси, что может объясняться увеличением роли процессов диссо циативной рекомбинации гетероядерных ионов НеИе+ в накачке эти уровней.

Хорошо известно, что возбужденные тем или иным способом смес инертных газов могут обладать весьма высоким уровнем наведенног или, говоря иначе, "горячего" поглощения в ближнем Ж, видимом ближнем УФ спектральных диапазонах. Механизм такого поглощения свя зывают с фотопоглощением на димерных, а в случае высокого давлеш и на тримерных, ионах, с фотоионизацией возбуаденных атомов, также с фотоионизацией эксимерных комплексов или поглощением * связанно-связанных переходах этих комплексов. В $ 3.4 рассмотрех вопросы, связанные с наличием в исследуемых активных средах "гор} чего" поглощения.

_________-------------13-

Данные по амплитудным значениям коэффициентов усиления и поглощения в предшествующих работах других авторов были получены методом так называемого Ригрод-анзлиза, основанного на апроксимации экспериментальной зависимости энергии генерации лазера от коэффициента отражения выходного зеркала резонатора г теоретической кривой, в уравнении которой в качестве параметров присутствуют коэффициенты усиления слабого сигнала а и поглощения р, а также насыщающая мощность I . Такая процедура, вообще говоря, чревата значительными ошибками. Прежде всего, приближение Ригрода реализуется в эксперименте далеко не всегда. Кроме того, при таких вычислениях влиянию исследуемого процесса поглощения легко приписать все другие радиационные потери, прежде всего трудноконтролируемое поглощение в выходном зеркале резонатора. По этой причине в настоящей работе исследование поглощения производилось методом абсорбционного зондирования, свободным от указанных недостатков и, кроме того, позволяющим производить измерения во времени и на любой интересующей нас длине волны Л.. В качестве источника зондирующего сигнала применялся широкополосный источник света ИСИ-1 с длительностью импульса излучения ~ 20 мкс. Излучение от источника после прохождения через лазерную кювету с исследуемой смесью собиралось на входную щель светосильного монохроматора МЦР-2. Излучение, прошедшее через монохро-матор,' настроенный на исследуемый переход, регистрировалось с по-¡мощью скоростных ФЭУ и запоминающего осциллографа С8-13.

В диапазоне X = 350 4- 600 нм в двухкомпонентных лазерных смесях Не:Аг(КгДе) = 20:1 при р = 2,0 атм наблюдается широкополосное поглощение р ~ Ю"3 см-1. Сравнение спектров для лазерных смесей и чистых аг, Кг и Хе показало их идентичность и позволило сделать вывод, что "горячее" поглощение в представленном диапазоне длин волн Обусловлено поглощением главным образом на этих компонентах лазер-

них смесей за счет связанно-связанных переходов в эксимерных молекулах Аг*, Кг* и Хе* и фотодиссоциации молекулярных ионов Хе*.

Непосредственное измерение коэффициентов поглощения на длинах волн усилительных лазерных переходов оказывается затруднительным. Однако мы смогли воспользоваться тем обстоятельством, что в исследуемых лазерных средах отсутствуют узкополосные атомные переходы с длинами волн, совпадающими или близкими длинам волн лазерных переходов, из-за чего ожидаемое поглощение должно было носить широкополосный характер. При этом о величине коэффициента поглощения на лазерной линии оказывается возможным судить, по измерениям, проводимым непосредственно вблизи линии люминесценции. Измерения показали, что в смеси Ne:Xe = 20:1 коэфициенты поглощения составили довольно заметные величины р = 0,15, 0,27 и 0,31 -I0"2 см"1 для переходов с длинами еолн к = 585, 703 и 725 нм соответственно. Очевидно, что именно это обстоятельство является причиной малой эффективности лазеров с ксеноном в качестве пеннинговской добавки. Примерно аналогичная картина наблюдается в Ne-Ar смеси на длинах волн X = 703, и 725 нм, где величины коэффициентов поглощения оказались равными р = 0,22 и 0,39-10"® см-1 соответственно. Напротив, в ые-кг смесях на всех переходах и в Ne-Ar смеси на X = 585 нм поглощения зафиксировано не было. Точность измерений, определяемая отношением "сиг- j нал/уровень наводок" на экспериментальных осциллограммах, составила при этом величину 2-Ю"4 см-1, которая и является оценкой сверху для измеряемых величин р. Вычисленная эффективность вывода излучения т} = (I - Ур/а ) > 0,8 (> 0,5 для X = 703 нм) для всех лазерных линий в оптимальных смесях с криптоном оказалась заметно более высокой, чем в предшествующих экспериментах других авторов.

Основные трудности, возникающие на пути создания мощных квазинепрерывных лазеров высокого давления на нижних p-s переходах инер-

___________________________— —- :s ••" .

ж газов связаны с невысокой эффективностью расселения s уровней, эстоящих из двух метастабильных 3Р0, ^ и двух резонансных состо-яий 1Р1 и ^ , также фактически являющимися метастабильными из-за ленения излучения. Применительно к исследуемым в настоящей диссер-ации лазерам на 3p-3s переходах атома Ne проблема расселения ниж-их лазерных уровей была успешно решена за счет использования в ла-ерной смеси добавок еще одного газа R, обеспечивающего дезактива-ию Ne(3s) в быстрых реакциях пеннинговской

Ne(3s) + Н Ne + R+ + е (I)

ассоциативной ионизации

We(3s) + R —» NeR+ + е. (2)

днако и сейчас при интерпретации полученных экспериментальных ре-ультатов мы наталкиваемся на определенные трудности, связанные с :едостатком данных по константам скоростей ряда элементарных провесов. В частности, в литературе практически отсутствуют достовер-ие данные по процессам тушения резонансного 1Р1 состояния, являю-(егося нижним лазерным уровнем наиболее коротковолнового лазера с . = 585,3 нм. Для восполнения этого пробела в Четвертой главе мето-рэм абсорбционного зондирования измерены суммарная константа скоро-:тей реакций (I), (2) при столкновениях Ne(1p ) (а также и оеталь-шх 3s состояний) с Аг, Кг и хе, константы скоростей эксимеризации

Ne(3s) + 2Ne Ne* + Ne, (3)

i произведена оценка сверху константы скорости внутримультиплетной юлаксации 3s состояний

Ме(Зв) + Ne Ne(3s)' + Ne. (4)

В § 4.1 дан краткий обзор по исследованию процессов пеннинг-онизации в предшествущих работах других авторов. В § 4.2 описыва-

ется используемая в настоящей работе методика, основанная на о: делении характерных времен распада Зз-состояний атома Ие в пси свечении при исследовании методом абсорбционного зондирования Д5 мики поглощения просвечивающего импульса на длине волны X одногс Зр-Зй переходов, соответствующих этому исследуемому состоянию описываемых экспериментах измерения времен распада уровней 3Р0, 3Р1 и ^ проводились на переходах Зр' [1/2]0 - Зв' [1/2]° ( 585,3 нм), Зр' [1/2], - Зв' [1/2]° (X = 616,4 нм), Зр[1/2] Зв[3/2]° (X = 607,4 нм) и Зр' [1/2], - Зз[3/2]° (X = 588,2 нм) со ввтственно. Отметим, что один из этих переходов является лазерны!

Эксперименты проводились на лазере с острийным катодом при I пользованием лазерной кюветы высокого давления. Наработка необхо; мых для наблюдения концентраций исследуемых Зб-состояний осущест лялась электронным пучком с плотностью тока 3 = 1,5 А/см2. В усд виях настоящих экспериментов спектральное разрешение аппаратуры б ло соизмеримо с полушириной используемых оптических переходов, по тому обработка осциллограмм должна производится с использовали модифицированной формы закона Бера-Ламбврта, связывающего измере: ный коэффициент пропускания т с коэффициентом поглощения к, пропо] циональным концентрации исследуемого состояния, соотношением

1п(1/Г) = (кЬ)^, (7;

где 7 - безразмерный фактор, принимающий в зависимости от соотноше ния ширин линии поглощения и спектрального разрешения измерительнс схемы значение, лежащее в интервале 0,5 т 1,0. В настоящей работ для каждого из четырех исследуемых переходов зависимости фактора от давления Ые исследовались экспериментально путем измерения зав* симости коэффициента пропускания от длины активной области ъ (щ неизменной величине коэффициента поглощения к).

____________________-- -—-17 - .

В § 4.3 получены значения констант скоростей дезактивации Зв состояний атома №з в двух- и трехчастичных процессах в чистом неоне, а также в реакциях пеннинг-ионизации аргона, криптона и ксенона. В чистом неоне временной ход зависимости населенности для каждого из состояний Ке(ЗБ) в послесвечении (то есть после окончания рекомбинациопных и релаксационных процессов, приводящих к заселению возбужденных атомных уровней) может быть представлен в виде

№е(3в)](1;) = Н0 ехр(^/гй), (8)

где

Тй"1 = к^Ше]2 + кд№] +ММ1 (9)

- полная скорость дезактивации этого состояния. Здесь ка, к и к, -константы скоростей эксимеризации (3), внутримультиплетнсй релаксации (4) и тушения на примесях м ([М] — [Не])

Не(Зе) + М —» Ни + продукты (10)

соответственно. Во всех случаях при изменении давления неона в лазерной кювете от 0,6 до 2,0.атм экспериментальные точки, начиная с момента ~ I - 2 мкс после прекращения электронного тока накачки, с хорошей точностью ложились на прямые. При этом тангенс угла наклона прямых с учетом фактора у задает значение скорости дезактивации,

Для чистого неона получаемые таким образом экспериментальные значения представлялись в виде зависимости от концентрации неона ¡еличины т^ЧИе]"1, при этом в соответствии с ожидаемым из выраже-шя (9) линейным характером этой зависимости экспериментальные точи оказываются лежащими на прямых, тангенс угла наклона которых оп-эделяет константу скорости образования эксимера Не* в реакции (3), точки пересечения прямых с осью ординат задают верхнюю границу рачения константы скорости внутримультиплетной релаксации данного

Зв-уровня в реакции (4). Полученные в настоящей работе значени констант скоростей квадратичных по давлению реакций (3) нескольк различаясь для разных Зв уровней оказываются лежащими в диапазон (I т 6) -Ю-34 смб/с, то есть значительно меньше констант скоросте: аналогичных реакций для других" тяжелых инертных газов. Поскольк; скорости линейных по давлению реакций (4) также невелию ((I - 9)-Ю-15 см3/с), это означает, что на практике в рабочих диапазонах давлений лазеров на Зр-Зв переходах атома Ие обсуждаемые реакции не могут играть сколько-нибудь'заметной роли в дезактивацш нижних лазерных уровней.

Введение в неон добавок тяжелых инертных газов приводит к необходимости включения в формулу (9) дополнительных членов, определяемых реакциями (I), (2) и зависящих от концентрации этих добавок:

V1 = Ь^И0!2 + кл№е] +ктМ + Ир13*1" (П)

Здесь кр = к1 + - суммарная константа скорости реакций (I), (2). В процессе измерений для каждого Зв-уровня неона выбирался такой диапазон давлений и соотношений компонентов газовых смесей, когда скорость дезактивации этого уровня определяется, главным образом, пеннинговским процессом

т4-1 аг крЮ]. (12)

Основная цель настоящих экспериментов заключалась в измерении констант скоростей ранее практически не исследованных реакций туше-| ния аргоном, криптоном и ксеноном резонансного уровня 1Р1 атома Не. Однако на первой стадии методика проверялась на более исследованных уровнях 3Р0, 3Р1 и Зр . Для всех этих трех уровней неона константы скоростей кр лежат в диапазоне (0,6* 1,5) •Ю"10 см3/с, имеют довольно слабую зависимость от типа используемой примеси и весьме близки к экспериментальным данным других авторов.

__________________________________ ~~"Т9"'- \

Для наиболее высоколежащего резонансного уровня измеренные настоящей работе константы скоростей обсуждаемых реакций иониза-и составляют величины на уровне - 2,5'ТО-9 см3/с, то есть более м на порядок превышают аналогичные константы для других Зэ состо-ий атома Ые- Этот результат находится в прекрасном согласии с ре~ льтатями лазерных измерений, поскольку именно эти реакции ответс-енны за раселение нижнего лазерного уровня наиболее низкопорого-го лазера с А. = 585,3 нм. Он также соответствует представлениям, гласно которым тушение в реакциях пеннинг- и ассоциативной иони-ции резонансных уровней с большими собственными вероятностями ра-:ационного распада может происходить с весьма высокими скоростями, 19ВЫШ8ЩИШ в некоторых случаях газокинетические.

Приложение к диссертации содержит краткое описание расчета газменных параметров в Пе-Кг смеси, выполненное но основе численно моделирования кинетических процессов 8 активных средах иссле-■емых лазерных систем.

Б Заключении сформулированы основные выводы и результата дне-»ртации.

1. Впервые получена лазерная генерация на Зр-Зв переходах ?ома Ие с длинами волн А, = 703,2 и 724,5 нм;

2. Проведена оптимизация лазерных смесей к режимов генерации 'ннинговских лазеров высокого давления на Зр-Зв переходах атома Не

электроннопучковой накачкой, позволившая получить на длине = 724,5 нм рекордный для данного класса лазеров энергосъем = 1,5 Ди (0,15 Дж/л).

3. Методом прямого зондирования лазерным сигналом впервые ис~ едована динамика коэффициентов усиления слабого сигнала на рабо-х переходах пеннинговских лазеров на Не-ие-Кг(Аг,Хе) смесях.

4. Впервые для рассматриваемых лазеров методом абсорбционного

зондирований проведено исследование динамики наведенного поглощ ния. Показано, что высокая эффективность использования в качест расселителя нижних лазерных уровней криптона для лазеров к = 585,2, 703,2 и 724,5 нм и аргона для лазера с X = 585,2, ] обусловлена малой величиной такого поглощения ß < 0,02-Ю-2 см-1 i сравнению со случаем использования других расселителе (ß > 0,2-10"2 см"1).

S. Методом абсорбционного зондирования впервые проведены изме рения констант скоростей дезактивации' состояния атома Ne nj пеннинговской ионизации Аг, Кг и Хе ((2 ч- З^Ю-9 см3/с), позволив шие сделать вывод, что низкая величина порога возникновения генера ции в лазере с X = 585,2 нм объясняется на порядок более высоким скоростями дезактивации этого состояния по сравнению с низшими уро внями других лазерных переходов.

Основные результаты исследований автора, приведенные диссертации, содержатся в работах:

1. Басов Н.Г., Баранов В.В., Данилычев В.А., Дудин А.Ю., Заярнш Д.А., Устиновский H.H., Холин И.В., Чугунов А.Ю.. Мощный лазе] высокого давления на переходах 3p-3s Nel с длинами еолн 703 i 725 нм. - Квантовая электроника, 1985, T.I2, Я> 7, с.1521-1524.

2. Заярный Д.А., Холин И.В.. Энергетические характеристики и динамика генерации лазера высокого давления на Nel. М.: ФИАН, 1990. - (Препринт М 88).

3. Заярный Д.А., Семенова Л.В., Устиновский H.H., Холин И.В., Чугунов А.Ю.. Система импульсной магнитной фокусировки электронных пучков для электроионизационных лазеров. - БТЭ, 19ЭЗ, № 2, С.137-140.

4. Заярный Д.А., Семенова Л.В., Холин. И.В., Чугунов А.Ю.. Столк-новительнов тушение уровня атома Ne в чистом Ne и его сме

- -----------------------""

сях с Аг, Кг и Хе. - Квантовая электроника, 1393, т.20, № 9, с.851-855.

*

Заярный Д.А., Холин И.В., Чугунов А.Ю.. Дезактивация Зв- уровней атома неона при столкновениях с неоном, аргоном, криптоном и ксеноном. - Квантовая электроника, 1995, т.22. .№ 3, с.223- ^ 238.

ч